(57)【要約】【課題】半導体素子への応力を抑制することができる半導体装置を提供する。【解決手段】下部電極３０の上に接合材５０を介して半導体素子２０が接合されるとともに半導体素子２０の上に接合材６０を介して上部電極４０が接合されている。上部電極４０における半導体素子２０との接合面積が下部電極３０における半導体素子２０との接合面積よりも小さくなっているとともに、上部電極４０の線膨張係数が下部電極３０の線膨張係数よりも大きくなっている。上部電極４０は、半導体素子２０と上部電極４０との線膨張係数の差および半導体素子２０と下部電極３０との線膨張係数の差により生じる応力により半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の上下面のうちの一方の面に第１の電極が接合されるとともに前記半導体素子の他方の面に第２の電極が接合された半導体装置において、
前記第１の電極における前記半導体素子との接合面積が前記第２の電極における前記半導体素子との接合面積よりも小さくなっているとともに、前記第１の電極の線膨張係数が前記第２の電極の線膨張係数よりも大きく、かつ、前記第１の電極は、前記半導体素子と前記第１の電極との線膨張係数の差および前記半導体素子と前記第２の電極との線膨張係数の差により生じる応力により前記半導体素子の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の電極として複合材料を用いたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記複合材料を用いた前記第１の電極は、母材としての金属部材に形成した空間に樹脂を充填してなることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子に加わる応力を緩和する技術の一例として、特許文献１では複数の電子部品を備える２枚の基板を有するパワーエレクトロニックパッケージにおいて、周辺に支持ポストを配置することで半導体チップに対する応力を最小限にすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−６０５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、構造や工法が複雑である。
本発明の目的は、半導体素子への応力を抑制することができる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明では、半導体素子の上下面のうちの一方の面に第１の電極が接合されるとともに前記半導体素子の他方の面に第２の電極が接合された半導体装置において、前記第１の電極における前記半導体素子との接合面積が前記第２の電極における前記半導体素子との接合面積よりも小さくなっているとともに、前記第１の電極の線膨張係数が前記第２の電極の線膨張係数よりも大きく、かつ、前記第１の電極は、前記半導体素子と前記第１の電極との線膨張係数の差および前記半導体素子と前記第２の電極との線膨張係数の差により生じる応力により前記半導体素子の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有することを要旨とする。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、第１の電極における半導体素子との接合面積が第２の電極における半導体素子との接合面積よりも小さくなっているとともに、第１の電極の線膨張係数が第２の電極の線膨張係数よりも大きい。また、第１の電極は、半導体素子と第１の電極との線膨張係数の差および半導体素子と第２の電極との線膨張係数の差により生じる応力により半導体素子の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有する。よって、半導体素子の上下で発生する反りが打ち消されて、半導体素子への応力を抑制することができる。
【０００７】
請求項２に記載のように、請求項１に記載の半導体装置において、前記第１の電極として複合材料を用いるとよい。
請求項３に記載のように、請求項２に記載の半導体装置において、前記複合材料を用いた前記第１の電極は、母材としての金属部材に形成した空間に樹脂を充填してなるとよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、半導体素子への応力を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）は実施形態における半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図、（ｃ）は半導体装置の右側面図。
【図２】（ａ）は樹脂がない状態での半導体装置の平面図、（ｂ）は樹脂がない状態での半導体装置の正面図、（ｃ）は樹脂がない状態での半導体装置の右側面図。
【図３】半導体装置の一部を示す模式図。
【図４】別例の半導体装置の一部を示す模式図。
【図５】（ａ），（ｂ）は半導体素子に加わる反り応力を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。
【００１１】
図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子２０と、下部電極３０と、上部電極４０と、はんだ等の接合材５０，６０と、樹脂７０を備えている。下部電極３０の上に接合材５０を介して半導体素子２０が接合されるとともに半導体素子２０の上に接合材６０を介して上部電極４０が接合されている。また、下部電極３０の上部、接合材５０、半導体素子２０、接合材６０および上部電極４０は樹脂７０よりモールドされている（保護されている）。
【００１２】
半導体素子２０はシリコンよりなり、シリコンチップに縦型パワートランジスタが作り込まれている。より具体的には、パワーＭＯＳＦＥＴを挙げることができる。他にもＩＧＢＴを挙げることができる。
【００１３】
半導体素子（パワーＭＯＳＦＥＴ）２０はチップの下面にドレイン電極が形成されているとともに、チップの上面にソース電極とゲート電極が形成されている。なお、ＩＧＢＴの場合にはチップの下面にコレクタ電極が形成されているとともに、チップの上面にエミッタ電極とゲート電極が形成されている。よって、図２に示すように、上部電極４０における半導体素子２０との接合面積が下部電極３０における半導体素子２０との接合面積よりも小さくなっている。また、下部電極３０は銅板よりなる。
【００１４】
図３に示すように、上部電極４０は、母材にアルミの板材４１が用いられている。アルミの線膨張係数は２３．１ｐｐｍ／Ｋであり、銅の線膨張係数は１６．５ｐｐｍ／Ｋであり、シリコンの線膨張係数は２．６ｐｐｍ／Ｋである。よって、上部電極４０の母材（アルミ板）の線膨張係数が銅製下部電極３０の線膨張係数のよりも大きくなっている。さらに、板材４１には多数の貫通孔（空間）４２が設けられ、貫通孔４２内には樹脂４３が充填されている。具体的には、樹脂４３としてエポキシ樹脂を挙げることができる。エポキシ樹脂の線膨張係数は５０ｐｐｍ／Ｋ程度であり、線膨張係数の大きな材料である。これにより、上部電極４０の見かけ上の線膨張係数が調整されている。
【００１５】
このように、上部電極４０として複合材料を用いている。具体的には、母材にアルミ材を用いるとともに副材として樹脂（エポキシ樹脂）を用いている。
つまり、上部電極４０に、母材としてアルミの板材４１が用いられ、この母材のアルミ製板材４１に別材料の入る貫通孔（空間）４２が設けられている。この貫通孔（空間）４２に線膨張係数の大きな材料（例えばエポキシ樹脂）が封入され、電極全体としての線膨張係数が大きくされている。
【００１６】
これにより、下部電極３０と上部電極４０について、半導体素子２０との接合面積の小さい方（上部電極４０）が、半導体素子２０との接合面積の大きい方（下部電極３０）よりも線膨張係数が大きくなっている。また、上部電極４０の線膨張係数が調整されており、樹脂７０で封止後の低温時に上部電極４０は、半導体素子２０と上部電極４０との線膨張係数の差および半導体素子２０と下部電極３０との線膨張係数の差により生じる応力により半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消し合うようになっている。
【００１７】
次に、このように構成した半導体装置１０の作用を説明する。
シリコンよりも線膨張係数の大きな上部電極４０および下部電極３０は、樹脂硬化時温度（例えば１８０℃）よりも温度が下がるとき、この１８０℃等での封止時が内部応力の無い基準状態となり、縮み長さが大きいため、図２（ｂ）において矢印で示すような反り形状になる。そのため、半導体素子２０が相対的に伸びるような曲げ応力が発生しようとする。また、その曲げ（反り）が半導体素子２０の上下両面で発生する。
【００１８】
詳しくは、樹脂封止された半導体装置１０は、樹脂７０が硬化したときの温度では線膨張係数に起因する応力が小さい状態であり、硬化後は硬化時温度より温度が下がるときに線膨張係数の差による応力が発生する。２０℃において、下部電極３０の銅の線膨張係数は１６．５ｐｐｍ／Ｋ、半導体素子２０の主材料のシリコンは２．６ｐｐｍ／Ｋで銅のほうが大きいため、温度が下がった時は銅の方が大きく収縮するため、シリコンが大、銅が小になるような曲がり形状になる応力が発生する。
【００１９】
一方、下部電極３０は半導体素子２０に対して全面で接合されており、上部電極４０は表面電極（ゲート電極）が設けられており、全面で接合できないので、上部電極４０は下部電極３０より半導体素子２０に対する接合面積が小さい。
【００２０】
図５を用いて半導体素子への応力の加わり方について説明する。
図５（ａ）に示すように、半導体素子２０ａに対し上下に同一の大きさ、同じ材料の電極３０ａ，４０ａを接合した場合には、上部電極４０ａにおける反り応力線と下部電極３０ａにおける反り応力線は対称となり、半導体素子２０ａの曲げ応力が打ち消される。これにより、半導体素子２０ａには反り応力が加わらない。
【００２１】
これに対し、図５（ｂ）に示すように、半導体素子２０ｂに対し上下に接合面積（大きさ）が異なり、かつ、同じ材料の電極３０ｂ，４０ｂが接合されると、上部電極４０ｂにおける反り応力線と下部電極３０ｂにおける反り応力線は対称とはならず、半導体素子２０ｂに曲げ応力が加わる。
【００２２】
この場合（本実施形態）においては、上部電極４０の線膨張係数が下部電極３０の線膨張係数よりも大きくなっている。さらに、上部電極４０は、半導体素子２０と上部電極４０との線膨張係数の差および半導体素子２０と下部電極３０との線膨張係数の差により生じる応力により半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有している。よって、半導体素子２０に加わる曲げ応力を低減して半導体素子２０においてクラックの発生等を回避することができる。つまり、下部電極３０と上部電極４０とが応力がお互いに打ち消し合うように配置されているので、半導体素子２０への応力が軽減される。
【００２３】
さらに、上部電極４０におけるはんだ接合部よりも外側は樹脂封止の樹脂７０と接合しており、下部電極３０も樹脂７０により接合され、上部電極４０と下部電極３０とは力を及ぼし合えるため、応力を打ち消しやすい。
【００２４】
以上のごとく本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体装置１０の構成として、下部電極３０の上に接合材５０を介して半導体素子２０が接合されるとともに半導体素子２０の上に接合材６０を介して上部電極４０が接合されている。また、上部電極４０における半導体素子２０との接合面積が下部電極３０における半導体素子２０との接合面積よりも小さくなっているとともに、上部電極４０の線膨張係数が下部電極３０の線膨張係数よりも大きくなっている。さらに、上部電極４０は、半導体素子２０と上部電極４０との線膨張係数の差および半導体素子２０と下部電極３０との線膨張係数の差により生じる応力により半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有している。
【００２５】
これにより、半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消すことができ、半導体素子２０への応力を抑制することができる。
（２）上部電極４０として複合材料を用いたので、容易に半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有するものとすることができる。
【００２６】
（３）複合材料を用いた上部電極４０は、母材としての金属部材（アルミ製板材４１）に形成した空間としての貫通孔４２に樹脂４３を充填して構成したので、容易に半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有するものとすることができる。
【００２７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図３に代わり図４に示す構成としてもよい。図４において、上部電極４０に空間としての凹部４５が設けられ、凹部４５内には線膨張係数の大きな材料（例えば樹脂４６）が充填されている。
【００２８】
・上部電極と下部電極の関係が逆でもよい。つまり、下部電極における半導体素子２０との接合面積が上部電極における半導体素子２０との接合面積よりも小さくなっているとともに、下部電極は、下部電極と半導体素子２０との線膨張係数の差および上部電極と半導体素子２０との線膨張係数の差により生じる応力により半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有する。
【００２９】
要は、次の構成であればよい。半導体素子２０の上下面のうちの一方の面に第１の電極（上部電極４０または下部電極３０）が接合されるとともに半導体素子２０の他方の面に第２の電極（下部電極３０または上部電極４０）が接合されている。そして、第１の電極における半導体素子２０との接合面積が第２の電極における半導体素子２０との接合面積よりも小さくなっているとともに、第１の電極の線膨張係数が第２の電極の線膨張係数よりも大きい。また、第１の電極は、半導体素子２０と第１の電極との線膨張係数の差および半導体素子２０と第２の電極との線膨張係数の差により生じる応力により半導体素子２０の上下で発生する反りを打ち消し合う線膨張係数を有するものとする。
【００３０】
・上記実施形態では半導体素子を樹脂封止する場合について説明した。この場合において、反りが発生する基準状態について言及すると、封止樹脂の硬化時温度としても接合材５０，６０による接合時温度（例えば、はんだ付け温度）としてもよい。接合部だけを着目すると、反りが発生する基準状態は接合材５０，６０による接合時温度基準として考えるとよい。また、全体で見ると、反りが発生する基準状態は封止樹脂の硬化時温度基準として考えるとよい。
【００３１】
従って、半導体素子を樹脂封止しない場合に適用してもよく、この場合、反りは次のように発生する。シリコンよりも線膨張係数の大きな上部電極４０および下部電極３０は、接合材による接合時温度（例えば、はんだ付け温度）よりも温度が下がるとき、接合時が内部応力の無い基準状態となり、縮み長さが大きいため、図２（ｂ）において矢印で示すような反り形状になる。そのため、半導体素子２０が相対的に伸びるような曲げ応力が発生しようとする。
【００３２】
・接合材は、はんだであっても、加熱式の導電性接着剤、例えば、銀粉入りのエポキシ樹脂等を使用してもよい。
・半導体素子は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ以外にも、ダイオード等であってもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０…半導体装置、２０…半導体素子、３０…下部電極、４０…上部電極、４１…アルミ製板材、４２…貫通孔、４３…樹脂、４５…凹部、４６…樹脂、５０…接合材、６０…接合材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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